风电基础岩土体动参数选取分析

张 燚，赵云川，饶传友

(1. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2. 中国电建四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

动弹性模量和泊松比是风电基础刚度计算的关键参数，国内相关规程规范、手册并未给予一个较为准确的取值建议；其中《陆上风电场工程风电基础设计规范》(NB/T 10311-2019)[1]在地基计算章节内提到了地基动态刚度验算，计算的参数主要为岩土体泊松比和基础底面土层土壤的动态压缩模量，但规程的正文和条文说明对参数如何取值并没有给出一个较为可行的方案；而据该规程要求参照《工程地质手册》[2](第五版)在表3-1-25给出了各类土在静止状态下的侧压力系数及泊松比取值，在该手册中提出了动泊松比基于波速测试成果的取值计算公式，而动、静泊松比的取值及关系并未明确给出；而在表3-9-4中提出了各类土的静弹性模量与动弹性模量的取值，比较模量的静动比，砂类、砾石类土的比值在2～4之间，而黏性土的比值在3～18.75之间，所以规范[1]提出的可参考手册[2]取值的无可行性。

DNV《Guidelines for design of the wind turbine》[3]在基础章节提出了剪切模量及泊松比的取值；泊松比的取值：密实的砂土0.25～0.30、松散的砂土和坚固的黏性土0.35～0.45、饱和黏性土≈0.50；而剪切模量是先依据孔隙率、围压、超固结度或不排水强度等求取初始剪切模量，然后基于风电基础可能在风荷或海洋波浪荷载作用下的应变范围在10-2，典型在10-3情况下在土动力试验获得的经验曲线上选择折减系数后，计算出动剪切模量。

国内基于岩体泊松比参数的试验主要是压缩试验和波速测试，而岩体参数上的差异性不大，而对于土体参数的试验，在《土动力学原理》[4]一书中提出了在不同的试验可能有不同的范围，其中三轴压缩、单剪、扭剪的大致应变范围在10-2，强迫振动试验在10-4～10-2之间，自由振动试验在10-3～10-2之间，波速测试≈5×10-4。

而国内基于泊松比参数取值的研究中多是基于饱和土的泊松比研究，比较有代表性文献有：

文献[5] 是对饱和土的泊松比及含气体量对它的影响进行了研究，提出了总泊松比和有效泊松比的概念，同时提出了基于波速测试成果的有效泊松比的计算公式，而在实际验算中可知该公式计算误差较大，而总泊松比的结果与手册[2]中计算的泊松比基本一致，饱和态在0.50左右[5]。

文献[6]对上海软土的静止侧压力系数的分布和变化规律的研究，采用理论分析及数据统计的方式，对上海地区软土的模拟动力条件下的侧压力系数值约为瞬时加荷“不排水”条件下的侧压力系数的0.8；鉴于泊松比和侧压力系数的相关性，可推算上海软土在动力条件下的动泊松比在0.444左右[6]。

文献[7]对粘性土的侧压力系数进行了分析，确定固结对侧压力系数的影响较大，该文提出粘性土的侧压力系数在加荷瞬间的侧压力系数为1.0(泊松比为0.5)，随着固结度的变化侧压力系数逐渐变小，最后侧压力系数调整为一个临界值(有效泊松比)；而该文献提出砂土的静止侧压力系数变化范围不大0.4～0.5；从这篇论文可知：泊松比在荷载作用下是一个在有效泊松比与总泊松比之间的一个变化值[7]。

文献[8]对静止侧压力系数的取值可知可用有效内摩擦角、塑性指数、毛细压力和孔压系数、三轴试验、扁铲侧胀试验、旁压试验、原位应力铲试验、载荷试验等获取[8]。

文献[9]用简化方法求算了粘性土的静止侧压力系数，在总结了雅基、布鲁克尔、山口、波克罗夫斯基对于侧压力系数的计算公式的基础上，通过推导得出静止侧压力系数：

对于非饱和土，黏聚力和内摩擦角按固结不排水剪试验结果[9]。

根据试验可知，应用《土工试验规程》(SL237-1999)[10]可知，土体的泊松比的求取同时受到应力变化而发生变化的，而在固结试验可知，土体的压缩模量随着固结应力的变化也是变化的。

从上述参考文献可知：岩土体的压缩模量和泊松比受到动力荷载频率(排水条件、变形范围)、围压、岩土体自身的特性等影响，因此如何合理选择这两个参数，是风电基础设计刚度计算的关键。

1 工程概况

越南某风力发电厂位于越南东南太平样海岸，位于古毡河与湄公河之间的河口冲积堆积地带，设计风机塔筒高度为140 m，设计风机基础采用群桩承台基础，基础埋置深度30～50 m不等，要求地质专业提供动态压缩模量及静泊松比；地基土主要分为8层，见表1。

表1 土层描述及波速测试成果

本项目进行了波速测试(见表1)、取样室内土工试验进行了常规测试、CU试验，同时进行了不排水测试等。

根据DNV《Guidelines for design of the wind turbine》[3]Table8-7弹性桩表格可知桩承台基础的水平刚度和旋转刚度主要受到桩的杨氏模量和地基土底层的杨氏模量的影响；而业主方一直要求提出土层的动态压缩模量和静止泊松比，因此在第3节中将对各层土的压缩模量和泊松比进行分析计算并取值。

2 动参数分析及取值

根据可行性研究成果可知各土层各项参数见表2。

表2 土层物理力学测试成果

压缩模量结果可能受到取样扰动的影响，试验成果可靠性较低，根据经验推荐各土层的压缩模量及采用文献[9]计算的总泊松比和有效泊松比，及用波速测试的动泊松比和动压缩模量见表3。

表3 土层泊松比计算统计成果

从上述泊松比计算结果可知，饱和态的粘性土还是砂土在波速测试(应变在5×10-4)的泊松比接近于0.50，采用直接剪切强度的时候，由于受到排水条件的限制，泊松比比较接近于总泊松比，而采用CU剪试验，在考虑孔隙水压力的情况下计算的泊松比应该是更接近于静止泊松比。

从表4可知：采用波速测试推算的动压缩模量在低围压下300 kPa(15 m深)下，数值量级和采用文献[3]的基本一直，但随着围压的增加，量值差异逐渐加大，在围压达到1 000 kPa(50 m深)左右，前者竟达后者的5.5倍；主要原因是波速测试受围压的影响相对较大，而采用经验公式计算成果较为稳定。

表4 土层压缩模量计算统计成果

因此越南某风力发电厂，若按照文献[3]提供计算刚度的土层杨氏模量应该是第⑥土层，建议取值218×0.3≈65 MPa。

泊松比的取值，应该是受到应变速率的影响较大，在现阶段，对于饱和土的泊松比的取值的问题仅文献[6]中侧压力系数的基础上换算出来了一个值，上海饱和粘性土和本工程的土层③的特性基本一致，因此在以有效应力计算的有效泊松比为基础上，考虑总泊松比，按照这两个点的中点作为风机基础的泊松比取值是可行的，而砂类土由于排水条件较好，泊松比建议取值有效泊松比；非饱和土建议取值有效泊松比，见表5。

表5 基础动刚度计算参数推荐值

3 风电基础动参数选取原则及流程

风电基础的动参数的选择一定要注意动参数是在一定的动应变(10-2，典型10-3)对应，同时要考虑动荷载作用下导致孔隙水压力消散对泊松比等参数的影响。泊松比的取值应在雅基公式的基础上计算有效泊松比，总泊松比可采用不固结不排水剪切强度计算，饱和度大于90的粘性土或砂土的总泊松比可取值0.5；砂土的计算泊松比建议取有效泊松比或有效泊松比与总泊松比之间0.25分位值；饱和粘性土建议取有效泊松比和总泊松比的平均值；非饱和土的泊松比建议取有效泊松比。

波速测试推算的动压缩模量在基础埋深8 m以内，可按照0.3的乘积作为基础刚度计算的动压缩模量；在软弱土层较厚的土层中，由于受到土层重力的影响，深度差异较大；建议按照DNV《Guidelines for design of the wind turbine》内相关公式计算。

从DNV《Guidelines for design of the wind turbine》可知：实际计算参数的变化误差在50%以上，考虑试验取样等因素的影响，可能误差达到100%以上，但对于风基选型来说，若地基土不是软土，一般情况下计算基础的刚度均满足相关要求，尤其是岩石地基或桩基承台基础。

4 结 语

本文通过对越南某风电场动参数选取分析得出以下几点结论：

1)风电基础的动参数的选择一定要注意动参数是在一定的动应变(10-2，典型10-3)对应，同时要考虑动荷载作用下导致孔隙水压力消散对泊松比等参数的影响；

2)波速测试的动压缩模量在浅部可作为动压缩模量参数值，并采用0.3的修正，而在深度不可使用；

3)规程[1]和手册[2]上的动参数没有应变边界条件，可参照DNV《Guidelines for design of the wind turbine》确定试验环境、应变情况、使用条件等边界条件。

4)DNV《Guidelines for design of the wind turbine》对于G(和动压缩模量相关)的参数计算的误差较大，考虑取样、试验误差等，实际误差均较大，若地基土不是软土，一般情况下计算基础的刚度均满足相关要求，尤其是岩石地基或桩基承台基础。

5)本文的相关分析成果，均是主要参考前人的经验公式和试验过程中可能的变化，基于泊松比的选择上欠缺较大，对于基础刚度的问题，建议在各类覆盖层地基上的风电基础多做一些原位监测测试，用反分析的方法来解决计算粗燥的问题应该是可行且合适的；在现有的研究和水平下，本文对参数的分析和取值可作为类似工程动参数取值的参考。